Derivada de un tensor (mecánica de medios continuos)
Las derivadas de escalares, vectores y tensores de segundo orden con respecto a los tensores de segundo orden son de considerable utilidad en mecánica de medios continuos. Estas derivadas se utilizan en las teorías de elasticidad no lineal y plasticidad, particularmente en el diseño de algoritmos de simulación.[1]
La derivada direccional proporciona una forma sistemática de encontrar estas derivadas.[2]
Derivadas con respecto a vectores y tensores de segundo orden
A continuación se dan las definiciones de derivadas direccionales para diversas situaciones. Se supone que las funciones son lo suficientemente suaves como para poder tomar derivadas.
Derivadas de funciones escalares de vectores
Sea f(v) una función con valor real del vector v. Entonces, la derivada de f(v) con respecto a v (o en v) es el vector definido mediante el producto escalar con cualquier vector u
para todos los vectores u. El producto escalar anterior produce un escalar, y si u es un vector unitario, da la derivada direccional de f en v, en la dirección u.
Propiedades:
- Si entonces
- Si entonces
- Si entonces
Derivadas de funciones vectoriales de vectores
Sea f(v) una función con valor vectorial del vector v. Entonces la derivada de f(v) con respecto a v (o en v) es el tensor de segundo orden definido a través de su producto escalar con cualquier vector u
para todos los vectores u. El producto escalar anterior produce un vector, y si u es un vector unitario, da la derivada direccional de f en v, en la dirección u.
Propiedades:
- Si entonces
- Si entonces
- Si entonces
Derivadas de funciones escalares de tensores de segundo orden
Sea una función con valor real del tensor de segundo orden . Entonces, la derivada de con respecto a (o en ) en la dirección es el tensor de segundo orden definido como
para todos los tensores de segundo orden .
Propiedades:
- Si entonces
- Si entonces
- Si entonces
Derivadas de funciones tensoriales de tensores de segundo orden
Sea una función tensorial de segundo orden del tensor de segundo orden . Entonces la derivada de con respecto a (o en ) en la dirección es el tensor de cuarto orden definido como
para todos los tensores de segundo orden .
Propiedades:
- Si entonces
- Si entonces
- Si entonces
- Si entonces
Gradiente de un campo tensorial
El gradiente, , de un campo tensorial en la dirección de un vector constante arbitrario c se define como:
El gradiente de un campo tensorial de orden n es un campo tensorial de orden n+1.
Coordenadas cartesianas
Si son los vectores base en un sistema de coordenadas cartesianas, con las coordenadas de los puntos indicadas por (), entonces el gradiente del campo tensorial viene dado por
Demostración |
Los vectores x y c se pueden escribir como y . Sea y := x + αc. En ese caso, el gradiente viene dado por
|
Dado que los vectores de la base no varían en un sistema de coordenadas cartesiano, tenemos las siguientes relaciones para los gradientes de un campo escalar , un campo vectorial v' y un campo tensorial de segundo orden .
Coordenadas curvilíneas
Si son los vectores de una base contravariante en un sistema de coordenadas curvilíneas, con las coordenadas de los puntos indicadas por (), entonces el gradiente del campo tensorial viene dado por (consulte[3] para obtener una demostración).
De esta definición se obtienen las siguientes relaciones para los gradientes de un campo escalar , un campo vectorial v y un campo tensorial de segundo orden .
donde los símbolos de Christoffel se definen usando
Divergencia de un campo tensorial
La divergencia de un campo tensorial se define usando la relación recursiva
donde c es un vector constante arbitrario y v es un campo vectorial. Si es un campo tensorial de orden n > 1, entonces la divergencia del campo es un tensor de orden n- 1.
Coordenadas cartesianas
En un sistema de coordenadas cartesiano se tienen las siguientes relaciones para un campo vectorial v' y un campo tensorial de segundo orden
donde con la notación tensorial indexada para derivadas parciales se utiliza en las expresiones situadas más a la derecha. Tenga en cuenta que
Para un tensor simétrico de segundo orden, la divergencia también suele escribirse como[4]
La expresión anterior se utiliza a veces como definición de en forma de componente cartesiano (a menudo también escrito como ). Téngase en cuenta que dicha definición no es coherente con el resto de este artículo (consúltese la sección sobre coordenadas curvilíneas).
La diferencia surge de si la diferenciación se realiza respecto de las filas o columnas de , y es convencional. Esto se demuestra con un ejemplo. En un sistema de coordenadas cartesiano, el tensor (matriz) de segundo orden es el gradiente de una función vectorial
La última ecuación es equivalente a la definición/interpretación alternativa[4]
Coordenadas curvilíneas
En coordenadas curvilíneas, las divergencias de un campo vectorial v' y de un campo tensorial de segundo orden son
Más generalmente,
Rotacional de un campo tensorial
El rotacional de un campo tensorial de orden n > 1 también se define usando la relación recursiva
donde c es un vector constante arbitrario y v es un campo vectorial.
Roracional de un campo tensorial (vectorial) de primer orden
Considérese un campo vectorial v y un vector constante arbitrario c. En notación indexada, el producto cruzado viene dado por
donde es el símbolo de permutación, también conocido como símbolo de Levi-Civita. Entonces,
Por lo tanto,
Rotacional de un campo tensorial de segundo orden
Para un tensor de segundo orden
Por tanto, utilizando la definición de la curvatura de un campo tensorial de primer orden,
Por lo tanto, se tiene que
Identidades que involucran la curvatura de un campo tensorial
La identidad más comúnmente utilizada que involucra la curvatura de un campo tensorial, , es
Esta identidad es válida para campos tensoriales de todos los órdenes. Para el caso importante de un tensor de segundo orden, , esta identidad implica que
Derivada del determinante de un tensor de segundo orden
La derivada del determinante de un tensor de segundo orden viene dada por
En términos ortonormales, las componentes de se pueden escribir como una matriz A. En ese caso, el lado derecho corresponde a los cofactores de la matriz.
Demostración |
Sea un tensor de segundo orden y sea . Entonces, a partir de la definición de la derivada de una función escalar de un tensor, se tiene que
El determinante de un tensor se puede expresar en forma de ecuación característica en términos de los invariantes usando Usando esta expansión, se puede escribir Recuérdese que el invariante viene dado por Por eso, Teniendo en cuenta la arbitrariedad de , entonces se tiene que |
Derivadas de los invariantes de un tensor de segundo orden
Los principales invariantes de un tensor de segundo orden son
Las derivadas de estos tres invariantes con respecto a son
Demostración |
De la derivada del determinante se sabe que
Para las derivadas de las otras dos invariantes, se retoma la ecuación característica Utilizando el mismo enfoque que para el determinante de un tensor, se puede demostrar que Ahora, el lado izquierdo se puede expandir como Por eso o, Expandir el lado derecho y separar términos en el lado izquierdo da o, Si se define y , se puede escribir lo anterior como Reuniendo términos que contienen varias potencias de λ, se obtiene Entonces, invocando la arbitrariedad de λ, se tiene que Esto implica que |
Derivada del tensor de identidad de segundo orden
Sea el tensor de identidad de segundo orden. Entonces la derivada de este tensor con respecto a un tensor de segundo orden viene dada por
Esto se debe a que es independiente de .
Derivada de un tensor de segundo orden con respecto a sí mismo
Sea un tensor de segundo orden. Entonces
Por lo tanto,
Aquí es el tensor de identidad de cuarto orden. En notación indexada con respecto a una base ortonormal
Este resultado implica que
donde
Por lo tanto, si el tensor es simétrico, entonces la derivada también es simétrica y se obtiene
donde el tensor de identidad simétrico de cuarto orden es
Derivada del inverso de un tensor de segundo orden
Sean y dos tensores de segundo orden, entonces
En notación indexada con respecto a una base ortonormal
También se tiene que
En notación indexada
Si el tensor es simétrico entonces
Demostración |
Recordando que
Dado que , se puede escribir Usando la regla del producto para tensores de segundo orden se obtiene o, Por lo tanto, |
Integración por partes

Otra operación importante relacionada con las derivadas tensoriales en la mecánica continua es la integración por partes. La fórmula de integración por partes se puede escribir como
donde y son campos tensoriales diferenciables de orden arbitrario, es la unidad normal hacia afuera con respecto al dominio sobre el cual se definen los campos tensoriales, representa un operador del producto tensorial generalizado y es un operador de gradiente generalizado. Cuando es igual al tensor de identidad, se obtiene el teorema de la divergencia
Se puede expresar la fórmula de integración por partes en coordenadas cartesianas con notación indexada como
Para el caso especial donde la operación del producto tensorial es una contracción de un índice y la operación del gradiente es una divergencia, y tanto como son tensores de segundo orden, se tiene que
En notación indexada,
Véase también
Referencias
- J. C. Simo and T. J. R. Hughes, 1998, Computational Inelasticity, Springer
- J. E. Marsden and T. J. R. Hughes, 2000, Mathematical Foundations of Elasticity, Dover.
- R. W. Ogden, 2000, Nonlinear Elastic Deformations, Dover.
- Hjelmstad, Keith (2004). Fundamentals of Structural Mechanics. Springer Science & Business Media. p. 45. ISBN 9780387233307.